關于柴油發電機主軸承螺栓斷裂的探討

摘要：柴油機發電機長期持續運行的過程中，主軸承緊固螺栓會產生斷裂的現象，這就需要檢測斷裂件所具備的力學性能、化學成分以及微觀形貌等等。需要明確的是，螺栓的強度高、硬度高，很容易產生微動裂紋，從而造成疲勞斷裂。螺栓斷面的疲勞裂紋源有很多，而且有很大的裂紋擴展區域，會有微動疲勞斷裂的特征存在，所以，產生螺栓斷裂主要是由于微動疲勞所造成的。本論文著重于研究柴油發電機主軸承螺栓斷裂方面的內容。

關鍵詞：柴油發電機;主軸承;螺栓;斷裂

引言：

柴油發電機組屬于應急備用電源，某企業使用的柴油發電機組使用兩周時間，其功率是281千瓦，運轉的速度是每分鐘1500 轉，每個月都要定期進行一次空載啟動檢查，運行20分鐘的時間，累計運行的時間是48小時[1] 。斷裂螺栓所使用的材質是高強度中合金滲碳鋼，這種材料是強度非常高的結構鋼，強韌性非常好，有很好的低溫沖擊性能，通常截面非常大，載荷非常高，而且缺口的敏感性不是很高。這些材質的螺栓在很短的工作時間內就產生斷裂，主要是由于材質存在質量問題，或者加工的過程中存在缺陷，就會導致螺栓不能很好地發揮效能。為了有效解決螺栓斷裂的問題，需要對其所具備的性質進行分析，觀察期斷裂螺栓組分以及力學性能，以采取有效措施解決[2] 。

一、試驗的方法以及結果

在實驗的過程中隨機選擇的樣品是2根已經斷裂的螺栓，對其進行失效分析，發現斷裂的部位都在螺紋的前端部。

（一）分析樣品成分

對兩根斷裂的螺栓進行取樣檢測，在檢測成分的時候可以使用全譜直讀光譜儀：，所獲得的檢測結果如下：

樣品1：碳元素含量0.17%，硅元素含量0.23%，錳元素含量0.44%，硫元素含量0.008%，磷元素含量0.02%，鉻元素含量1.44%，鎳元素含量4.06%，銅元素含量0.08%，鉬元素含量0.108%。

樣品2：碳元素含量0.17%，硅元素含量0.22%，錳元素含量0.45%，硫元素含量0.006%，磷元素含量0.02%，鉻元素含量1.48%，鎳元素含量4.09%，銅元素含量0.08%，鉬元素含量0.086%。

標準值：樣品1：碳元素含量0.13%-0.19%，硅元素含量0.17%-0.37%，錳元素含量0.30%-0.60%，硫元素含量低于0.030%，磷元素含量低于0.03%，鉻元素含量1.35%-0.65%，鎳元素含量4.00%-4.50%，銅元素含量低于0.03%，鉬元素含量沒有明確要求。

通過分析的結果可以明確，兩根斷裂螺栓的化學成分有良好的一致性，比較標準值，除Cu元素的含量超過標準值外，其余的元素含量都有標準值相符合[3] 。

（二）分析力學性能

檢測兩根斷裂螺栓在室溫環境中的抗拉強度以及硬度，樣品1是每平方毫米1456 牛，樣品2是每平方毫米1433 牛，與設計要求相比較，超過每平方毫米1220牛。兩個樣品的硬度分布范圍是HB 430-440，而且兩個螺栓批次之間有很好的一致性，從平均硬度來看，樣品1是HB434.0，樣品2是HB433.7，都超過設計標準值HB 365-HB413。

（三）分析斷口形貌特征

為了明確精準定位螺栓產生斷裂的主要原因，使用PHENOMPROX型掃描電子顯微鏡觀察螺栓斷口都形貌并詳細分析，就可以明確斷口的宏觀形貌所具備的特征[4] 。（圖1：螺栓斷口的形貌）

通過對圖1進行觀察，發現這個斷口的形貌與常規光滑疲勞試樣的斷口存在較高的相似度。

從斷面的組成來看，主要包括三個區域，圖1中的I是疲勞裂紋源區、II是裂紋擴展區、III是瞬斷區。通過仔細觀察，發現疲勞裂紋源區有多個典型疲勞裂紋源，而且都是肉眼可見的，在試樣的表面比較集中，占有的面積不是很大;II是裂紋擴展區，斷面比較平坦，在整個疲勞斷口所占有的比例比較大;III是瞬斷區，斷口都形貌類似于常規靜載斷裂的斷口形貌。這個裂紋是失穩經過快速擴展之后形成的斷口，斷面比較粗糙。

在部分裂紋源的位置有黑色的物質，很有可能是由于油污污染導致的。使用丙酮浸泡試樣，用強力毛刷刷洗之后進行觀察，清除了裂紋源位置的黑色物質，所呈現出來的疲勞裂紋源比較光亮，這就可以說明，當螺栓斷裂之后，有油污滲入到斷面裂紋中[5] 。

二、斷裂螺栓分析

經過分析發現，斷裂螺栓的化學成分中，Cu元素超過了規定的標準，其余的元素成分都與設計標準要求相符合，可以說明斷裂不與材質相關。通過觀察螺栓斷口的形貌并進行分析，可以明確在斷口的位置沒有出現塑性變形的問題，在樣品的表面有很多的疲勞裂紋源，而且在裂紋源的附近有反復擠壓的現象和摩擦痕跡，非常明顯，此外，還有很大的裂紋擴展區面積。根據斷口所具備的特征并對微動疲勞判斷原則加以參考，可明確產生這種螺栓斷裂的現象主要是由于微動疲勞造成的。在各種裝備系統中，當接觸件之間產生微幅相對運動的時候，就會有微動損傷，如果接觸件拱北交變載荷作用，微動疲勞問題就會產生。

通過進一步深入研究表明，但產生微動作用之后，連接件的表面就會有損傷產生，而且形式多樣，諸如凹坑、劃痕、表面產生塑性變形或者出現表面開裂等現象。當處于微動環境下，循環次數即便很少也會造成微動損傷，此時就會有裂縫產生，連接件的使用壽命因此縮短[6] 。

通過分析斷裂螺栓的力學性能，其抗拉強度要比設計要求值高出18%，硬度值也已經超過了設計要求范圍，大約為5%，這樣就會增強氫脆和應力腐蝕的敏感性。螺紋本身正處于應力集中的范圍內，這樣就會造成微動裂紋不斷擴展，因此發生疲勞斷裂的現象。

結束語

通過上面的研究可以明確，基礎性機械上所安裝的螺栓是重要的連接件，在各個領域中的機械設備中廣泛使用，其主要發揮的是緊固連接作用，所以，如果螺栓不能很好地發揮其功能，就會導致嚴重的后果。應急供電柴油發電機組屬于特種設備，需要定期檢查并做好保養工作，如果發現緊固螺栓產生斷裂，就要及時停機檢查，以具有針對性地采取措施解決。

參考文獻

[1]單秉昆. 核電廠柴油發電機用緊固螺栓斷裂失效分析[J]. 金屬加工：熱加工， 2019， 000（10）：48-50.

[2]何冬輝， 葉振起， 趙奕州. 300MW汽輪發電機組聯軸器鼓風擋板螺栓斷裂原因分析及處理[J]. 東北電力技術， 2019， 436（10）：32-33，36.

[3]陳銳， 劉明， 徐衛仙. 火力發電機組汽機中壓聯合汽門螺栓斷裂失效分析[J]. 黑龍江電力， 2019，237（6）：65-68.

[4]韓小亮. 敞開式TBM主軸承外密封擋圈斷裂脫落解決案例分析[J]. 隧道建設（中英文）， 2019， 039（S2）：400-404.

[5]李文. 發動機凸輪軸承蓋螺栓斷裂原因分析及改進[J]. 設備管理與維修， 202，000（14）：25-26.

[6]謝澄， 李國明. Alloy783材料螺栓斷裂原因分析及處理措施[J]. 2021，000（4）：131-133.

作者簡介

王陽（1987/02/18-）男，蒙古族，籍貫遼寧省撫順市望花區，本科學歷，中級工程師，研究方向—柴油發電機，泵，空壓機，分油機，電控系統和機械系統。